Los recipientes de fusión tienen un problema de Ricitos de Oro: el plasma en su interior debe estar lo suficientemente caliente para generar energía neta, pero si está demasiado caliente, puede dañar el interior del recipiente.Los investigadores del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) están explorando formas de eliminar el exceso de calor, incluidos varios métodos que utilizan metal líquido.

Una posibilidad, dicen los investigadores del Laboratorio del Departamento de Energía de EE. UU., implica que el líquido fluyalitioarriba y abajo una serie de listones en azulejos que recubren el fondo del recipiente.El metal líquido también podría ayudar a proteger los componentes que se enfrentan alplasmacontra un bombardeo de partículas conocidas como neutrones.

"La opción predominante para un reactor de fusión comercial económico es un diseño compacto", dijo Egemen Kolemen de PPPL, coautor de unpapel 2022sobre la investigación y profesor asociado de ingeniería mecánica y aeroespacial y del Centro Andlinger para la Energía y el Medio Ambiente.Sin embargo, su tamaño compacto hace que el manejo delflujo de calory el bombardeo de neutrones es un desafío mayor.

"Actualmente, no hay materiales sólidos disponibles que puedan soportar estas cargas. Los metales líquidos que fluyen tienen el potencial de resolver estos desafíos de materiales".

El metal líquido sólo estaría expuesto directamente al calor del plasma muy brevemente mientras viajaba a través del borde superior de una delgada lámina, impulsado por fuerzas magnéticas y una corriente eléctrica.Entonces, el metalfluirpor un canal creado por el espacio entre dos lamas.A medida que el metal líquido desciende hacia el fondo del dispositivo, conocido como divertorlet, el líquido se enfriaría.En última instancia, el metal líquido regresaría a la parte superior de un listón, acumularía calor y caería nuevamente.

Los circuitos de flujo minimizan la pérdida de metal líquido por evaporación.

Experimentos sobre este prototipo para elsistema de enfriamientofueron exitosos y los resultados coincidieron con los mostrados en las simulaciones."Pudimos replicar los bucles de flujo alrededor de las láminas, que es como el principio operativo del mecanismo", dijo Francisco Sáenz, estudiante de posgrado en el Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial de Princeton y coautor del artículo sobre los divertorlets.

"En el sistema que proponemos, el metal líquido se calienta en la superficie superior, pero es desplazado casi inmediatamente por el metal líquido frío que llega a la superficie superior para seguir absorbiendo calor", dijo Sáenz.

Con cada subida y bajada alrededor de una tablilla, el líquido se calentaría y sería reemplazado por metal líquido fresco.Sin embargo, el sobrecalentamiento del metal líquido se minimiza porque el metal líquido sólo está expuesto al calor durante su pequeño viaje sobre el desviador.Los diseños anteriores para sistemas de metal líquido similares, conocidos como desviadores, implicaban que el metal líquido fluyera directamente más allá del plasma durante un período de tiempo más largo, lo que probablemente habría resultado en un sobrecalentamiento y una mayor evaporación.

El litio que pasa al plasma a través de la evaporación también podría ser beneficioso;Residencia eninvestigaciones pasadasen PPPL, debería ayudar a que el plasma se mantenga a altas temperaturas y sea manejable.

"El litio reduce el reciclaje de partículas de hidrógeno. Por reciclaje me refiero a que hay átomos del plasma que salen del núcleo, van a las paredes y rebotan de regreso al plasma", dijo Sáenz.Los isótopos que rebotan tienen una temperatura significativamente reducida, lo que acaba enfriando la temperatura del plasma."Pero si su sistema de plasma está hecho de litio, absorbe y mantiene esas partículas que chocan contra las paredes, por lo que su plasma ya no se enfría a un ritmo rápido".

Los investigadores utilizaron galinstan (una mezcla de galio, indio y estaño) en lugar de litio en sus experimentos."La conductividad eléctrica de un metal líquido es una de las propiedades que rigen los flujos bajo la influencia de fuertes campos magnéticos, como los que se encuentran en un recipiente de fusión. Galinstan tiene una conductividad eléctrica bastante similar a la del litio líquido".dijo Sáenz, lo que les permite hacer análisis de flujos de litio en diferentes escenarios.

La cantidad de corriente aplicada al líquido se aumentó en una serie de pasos para ver cómo afectaría la velocidad y la uniformidad del flujo.Sáenz dijo que el equipo de investigación logró la velocidad objetivo sin que el metal líquido salpicara.Cuanto más rápido unmetal liquidoCuanto más fluye, más actúa sobre él un tipo específico de fuerza.Esta fuerza, conocida como arrastre magnetohidrodinámico, ralentiza el flujo.

Afortunadamente, sus resultados experimentales se alinearon con lo que vieron en las simulaciones, y los investigadores pudieron hacer que el líquido fluyera por debajo del límite de velocidad de 1 metro por segundo que establecieron, utilizando 900 amperios decorriente eléctricaeficientemente.El divertorlet ideal no sólo necesitaría extraer el calor, dijo Sáenz, sino que además debería hacerlo sin requerir una cantidad excesiva de energía para mantener el líquido fluyendo.

Brian Wynne, estudiante de posgrado de la Universidad de Princeton, que también trabajó en el proyecto de los divertorlets, espera con ansias futuras versiones del prototipo."Aún queda trabajo por hacer", afirmó Wynne."Necesitamos optimizar la estructura de la geometría misma en términos de la forma de las lamas".

Eso podría implicar reducir el ancho de cada listón y redondear los bordes para reducir los picos y valles que se ven en el fluido.El pico de una onda puede bloquear la transferencia de calor a un valle adyacente, por lo que la creación de una superficie lisa debería aumentar la absorción de calor del plasma al líquido.

Wynne dijo que el próximo prototipo también podría pasar de láminas de cobre a tungsteno impreso en 3D.Se cree que este metal altamente duradero es muy adecuado para componentes orientados al plasma, en general, por lo que podría tener sentido usarlo para los desviadores, dijo.Los prototipos futuros también investigarán sistemas para hacer fluir litio dentro y fuera del desviador.El prototipo actual del divertorlet es un sistema cerrado, lo que significa que no se eliminó ni añadió litio líquido mientras se aplicaba la corriente.